多通道可重構(gòu)水聲信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

趙晶晶，杜天為，祝萌作，許 喬，王旭光

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引 言

隨著人類(lèi)對(duì)海洋資源的大力開(kāi)發(fā)以及聲納技術(shù)的迅速發(fā)展，各類(lèi)水聲數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)逐漸在水下通信、海洋資源勘探、海底隧道建設(shè)、水中目標(biāo)遠(yuǎn)程探測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。由于海水介質(zhì)信道復(fù)雜、信號(hào)衰減嚴(yán)重并受環(huán)境影響明顯等原因，水聲數(shù)據(jù)采集工作就顯得尤為關(guān)鍵[2,3]。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)的水下探測(cè)技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，在許多關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了一定的突破。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于FPGA的多通道水聲信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了18位的數(shù)字采樣，采樣時(shí)鐘由FPGA提供；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種用于聲納水下多通道數(shù)據(jù)采集的電路模塊，分別使用ADS1278和BF537作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和主控芯片，最大采樣率為32 kSPS，系統(tǒng)同步采用RS485傳輸時(shí)鐘與同步脈沖的方式；文獻(xiàn)[6]提出了一種基于Zynq-7000的水聲信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了16位采集精度；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM芯片的單通道低功耗海洋聲信號(hào)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并且集成了溫度傳感器、壓力傳感器和同步模塊，最高采樣率50 kSPS；文獻(xiàn)[8,9]都以FPGA為控制核心，分別設(shè)計(jì)了針對(duì)電容式聲壓傳感器陣列信號(hào)和低頻水聲信號(hào)探測(cè)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，采樣率10 kSPS，采集精度為16位。

上述典型設(shè)計(jì)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，仍然存在系統(tǒng)架構(gòu)及連線關(guān)系比較復(fù)雜導(dǎo)致可靠性差、同步方式落后因而同步精度不高、工作頻帶固定造成系統(tǒng)通用性不強(qiáng)、性能指標(biāo)有待進(jìn)一步提高等問(wèn)題。針對(duì)以上應(yīng)用背景及技術(shù)需求，本文設(shè)計(jì)了一種多通道、工作頻帶可重構(gòu)、采樣率可調(diào)、增益可調(diào)以及可實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)精確時(shí)間同步的小體積高集成度的水聲信號(hào)采集模塊。

1 采集模塊性能指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的用于水聲信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)聲納探測(cè)處理系統(tǒng)的模擬前端，主要任務(wù)是對(duì)矢量水聽(tīng)器產(chǎn)生的4通道的水聲信號(hào)進(jìn)行同步采集和處理，設(shè)計(jì)需求與技術(shù)參數(shù)為：

(1)工作頻帶：10 Hz～40k Hz范圍內(nèi)實(shí)時(shí)可重構(gòu)；

(2)增益范圍：20 dB～60 dB多級(jí)實(shí)時(shí)可調(diào)；

(3)采樣率：16 kSPS～192 kSPS多級(jí)采樣率實(shí)時(shí)切換；

(4)分辨率：24 bit；

(5)支持自檢功能；

(6)各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)高精度同步，經(jīng)十級(jí)交換機(jī)同步誤差小于2 μs。

2 采集模塊設(shè)計(jì)方案

水聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集數(shù)據(jù)的采集與傳輸、電源分配、時(shí)鐘同步三大要素于一身，是聲納系統(tǒng)性能的保障[10]。水聲信號(hào)作為模擬信號(hào)，在傳輸過(guò)程中具有易衰減易受到外界因素干擾的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。而數(shù)字信號(hào)因?yàn)榫哂休^強(qiáng)的抗干擾能力，更適合遠(yuǎn)距離及惡劣環(huán)境下的信號(hào)傳輸。為保證采集到的水聲信號(hào)較少受到噪聲的影響，應(yīng)盡可能縮短模擬信號(hào)的傳輸距離，因此采用如圖1所示的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，即：將水聽(tīng)器輸出的模擬信號(hào)通過(guò)雙絞線短距輸出到“一對(duì)一”的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換并打包，再由核心控制模塊通過(guò)千兆以太網(wǎng)鏈路傳輸至萬(wàn)兆交換機(jī)，最后到達(dá)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理。

圖1 水聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架

2.1 電路總體結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)中，需要遵從以下幾個(gè)主要原則。其一是標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)該盡可能選擇常用電路，做到各部分各盡其用；其二是節(jié)能，尤其是在某些依靠電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景，功耗的高低直接影響其工作時(shí)間；其三是穩(wěn)定性，能夠在不同環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作；其四是安全性，保證電氣性能安全，不發(fā)生漏電事故；其五是準(zhǔn)確性，模塊各通道需要保持實(shí)時(shí)同步采集，這對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間同步精度提出了很高的要求；其六是兼容性，方便與其它設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

本設(shè)計(jì)中的采集模塊電路結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，主要包括固定增益前置放大電路、可重構(gòu)濾波電路、可控增益放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及信號(hào)自檢電路。模塊用于采集矢量水聽(tīng)器信號(hào)，由1路聲壓信號(hào)和3路質(zhì)點(diǎn)振速矢量信號(hào)組成，因此需要完成4路模擬信號(hào)的調(diào)理與采集，還依據(jù)需求集成了自檢功能。采集模塊是網(wǎng)絡(luò)供電技術(shù)的受電端，因此只需將電源進(jìn)行板內(nèi)二次分配。為了減小系統(tǒng)自噪聲，提升性能，將模擬電路緊挨水聽(tīng)器設(shè)計(jì)，以避免較長(zhǎng)的模擬信號(hào)走線，減小模擬前端的共模干擾。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊電路結(jié)構(gòu)框架

2.2 芯片選擇及電路設(shè)計(jì)

2.2.1 前置放大電路設(shè)計(jì)

由于水聲信號(hào)通常為微弱信號(hào)，因此數(shù)據(jù)采集模塊的模擬信號(hào)放大部分包含兩級(jí)放大電路，其中第一級(jí)為20 dB固定增益前置放大，采用Analog Devices公司的AD8221芯片，該芯片是一款增益可編程、高性能儀表放大器，通過(guò)單一外圍電阻RG可將增益設(shè)置為1至1000。在設(shè)計(jì)中需要將前置放大電路與水聽(tīng)器盡可能靠近，以縮短信號(hào)走線長(zhǎng)度，減小噪聲干擾。又因?yàn)樗?tīng)器的輸出信號(hào)一般為瞬時(shí)電壓尖峰脈沖的形式，且可能會(huì)由于受到干擾而使前置放大電路飽和。為避免損壞電路器件，在前置放大電路的輸入端設(shè)計(jì)了差分輸入保護(hù)電路，以確保輸入到放大電路的信號(hào)峰峰值不大于二極管閾值電壓。前置放大電路的設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 前置放大電路原理

2.2.2 可重構(gòu)濾波電路設(shè)計(jì)

針對(duì)采集模塊工作頻帶在10 Hz-40 kHz范圍內(nèi)可重構(gòu)的需求，并濾除設(shè)定頻帶外的干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)了可重構(gòu)帶通濾波電路，采用兩片美信MAX7490可編程有源通用濾波器芯片搭建。該芯片內(nèi)部包含兩個(gè)相同的低功耗，寬動(dòng)態(tài)范圍的2階通用濾波器單元，每個(gè)單元都可以隨外部電路的不同連接而實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻的功能，并通過(guò)控制外部時(shí)鐘頻率CLK對(duì)濾波器的截止頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本設(shè)計(jì)中將兩片MAX7490級(jí)聯(lián)使用，其中第一片配置為兩級(jí)相連的高通濾波器，第二片中的兩個(gè)濾波器單元?jiǎng)t配置為獨(dú)立的一級(jí)低通濾波器分別供兩個(gè)信號(hào)通道使用，因此對(duì)單個(gè)通道而言構(gòu)成了4階高通濾波與2階低通濾波級(jí)聯(lián)的帶通濾波器結(jié)構(gòu)，提高了低頻端的頻率選擇特性。通過(guò)獨(dú)立調(diào)節(jié)兩片MAX7490的截止頻率即可改變帶通濾波器的中心頻率及帶寬，從而實(shí)現(xiàn)采集模塊的工作頻帶可重構(gòu)，其工作原理及電路如圖4所示。

圖4 可重構(gòu)帶通濾波器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)及電路原理

2.2.3 可控增益放大電路設(shè)計(jì)

不同應(yīng)用場(chǎng)景下所采集的水聲信號(hào)幅值波動(dòng)較大，當(dāng)信號(hào)幅值太小時(shí)不利于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，影響采樣精度；而信號(hào)太大又會(huì)導(dǎo)致限幅，使采樣失真，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理無(wú)法恢復(fù)原始信號(hào)。因此為了提高量化精度，充分利用AD芯片的動(dòng)態(tài)范圍，采集模塊的第二級(jí)放大電路應(yīng)可針對(duì)幅值不同的水聲信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)中采用了美信MAX9939芯片，該芯片為全差分可編程增益放大器，可通過(guò)SPI接口在0.2倍至157倍較寬范圍內(nèi)設(shè)置差分增益，滿足采集模塊0 dB-40 dB的增益控制指標(biāo)要求。圖5所示為可控增益放大電路原理圖。

圖5 可控增益放大電路原理

2.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

兩級(jí)放大之后的水聲信號(hào)再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大即進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)，其主要作用是將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，ADC芯片的性能好壞將直接影響到數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求，本文選用了Analog Devices公司的4通道24位同步采樣Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7768-4，采樣速率最高可達(dá)256 kSPS，動(dòng)態(tài)范圍108 dB，最大帶寬為110.8 kHz。AD7768-4用戶可在輸入帶寬、輸出數(shù)據(jù)速率和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡，并選擇低功耗(最大32 kSPS、13.8 kHz輸入帶寬、每通道9.375 mW)、中速(最大128 kSPS、55.4 kHz輸入帶寬、每通道27.5 mW)、快速(最大256 kSPS、110.8 kHz輸入帶寬、每通道51.5 mW)3種工作模式之一以優(yōu)化噪聲目標(biāo)和功耗。

2.2.5 自檢電路設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)具備自檢功能，因此采用Analog Devices公司的DDS芯片AD9837產(chǎn)生自檢信號(hào)。該芯片是一款超低功耗、高精度、可編程波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波和方波輸出。輸出頻率和相位可通過(guò)軟件進(jìn)行編程，調(diào)整簡(jiǎn)單。同時(shí)配置了模擬開(kāi)關(guān)對(duì)DDS自檢信號(hào)和采集到的水聲模擬信號(hào)進(jìn)行切換：當(dāng)選擇輸出DDS產(chǎn)生的可調(diào)頻正弦波自檢信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)與水聲信號(hào)同樣的調(diào)理電路，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)理電路的故障定位、多通道幅相一致性測(cè)試等功能。

3 時(shí)鐘同步方案與顯控軟件設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)鐘同步方案

在許多應(yīng)用中，往往需要若干個(gè)水聲信號(hào)采集模塊組成分布式網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集，而且通常采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也并不相同。因此采集模塊應(yīng)配套網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)，從而給所有采集節(jié)點(diǎn)提供精確的相位對(duì)齊的周期性脈沖。各采集模塊收到該同步脈沖后，可觸發(fā)AD進(jìn)行同步采樣。時(shí)鐘同步技術(shù)使得各個(gè)采集通道在誤差允許范圍內(nèi)完成同步采樣，時(shí)鐘同步精度直接影響到所采數(shù)據(jù)的相位一致性。

IEEE 1588V2定義的精確時(shí)間同步協(xié)議為時(shí)鐘同步方案提供了新的思路[11,12]，IEEE 1588V2協(xié)議是電氣和電子工程師協(xié)會(huì)頒布的“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，其同步原理如圖6所示。主時(shí)鐘和從時(shí)鐘按照該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流程頻繁地進(jìn)行包含時(shí)間戳信息的報(bào)文交換，在假定相應(yīng)的時(shí)延和時(shí)間原點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)特定算法計(jì)算出主時(shí)鐘與交換機(jī)之間時(shí)間偏差、交換機(jī)與從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差，從而得到從時(shí)鐘相對(duì)主時(shí)鐘的時(shí)間偏差，進(jìn)而對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行校正以實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘同步。另外從時(shí)鐘還可以根據(jù)多個(gè)報(bào)文的時(shí)間戳得到本地晶振與主時(shí)鐘晶振的頻差，然后通過(guò)DA對(duì)本地晶振的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到主從時(shí)鐘間的頻率同步。

圖6 PTP同步基本原理

與本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集模塊相配套的核心控制模塊，其時(shí)鐘系統(tǒng)完全遵循IEEE 1588V2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，采用Xilinx最新的ZYNQ7000系列SOC實(shí)現(xiàn)，支持PTP主鐘模式和從鐘模式，能夠進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置以滿足不同組網(wǎng)方案中對(duì)時(shí)間同步的不同功能需求；同時(shí)支持P2P和E2E兩種延時(shí)機(jī)制，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載環(huán)境，與交換機(jī)之間具有很好的兼容性，為整個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)提供精確的時(shí)間同步。該時(shí)間同步系統(tǒng)已經(jīng)具備良好的硬件基礎(chǔ)，時(shí)間戳同步精度為8 ns，能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)PTP主鐘模式。根據(jù)PTP相關(guān)算法，即可增加PTP從鐘模式的授時(shí)精度，滿足系統(tǒng)同步采集的需求。

3.2 處理機(jī)顯控軟件設(shè)計(jì)

水聲信號(hào)采集模塊的處理機(jī)顯控軟件基于QT5.1開(kāi)發(fā)，具有較高可移植性，可快速移植到Window、Linux等操作系統(tǒng)上。處理機(jī)與終端采集節(jié)點(diǎn)采用C/S架構(gòu)，使用TCP協(xié)議通信，具有可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)。終端采集節(jié)點(diǎn)用于連接矢量水聽(tīng)器，采集水聲數(shù)據(jù)并形成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分組發(fā)送至處理機(jī)。處理機(jī)端則運(yùn)行顯控軟件，用于管理各終端采集節(jié)點(diǎn)，設(shè)置工作參數(shù)，切換工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)所采集數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)，采集節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程中的測(cè)試等，主要功能包括：

(1)查看各采集節(jié)點(diǎn)模塊的同步狀態(tài)；

(2)對(duì)采集節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行工作頻帶、信號(hào)增益及采樣率實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；

(3)對(duì)采集節(jié)點(diǎn)所采數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；

(4)查看各通道波形及頻譜圖；

(5)系統(tǒng)性能指標(biāo)分析。

處理機(jī)根據(jù)采集節(jié)點(diǎn)模塊的采樣率不同，最多可以同時(shí)收集100路采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并動(dòng)態(tài)管理采集節(jié)點(diǎn)上線掉線。

啟動(dòng)軟件，待各采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)入采集狀態(tài)后，可以在顯控軟件界面上看到各采集節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形，圖7所示為某采集節(jié)點(diǎn)的4通道信號(hào)時(shí)域波形圖。顯控軟件主界面主要由功能按鈕區(qū)、采集節(jié)點(diǎn)IP列表區(qū)、信息顯示區(qū)、波形顯示區(qū)和狀態(tài)顯示區(qū)5個(gè)部分組成。

圖7 處理機(jī)顯控軟件主界面及4通道信號(hào)時(shí)域波形

點(diǎn)擊頻譜圖彈出對(duì)話框，可顯示當(dāng)前通道的信號(hào)頻譜，如圖8所示。

圖8 單通道信號(hào)頻譜

點(diǎn)擊性能指標(biāo)按鈕，彈出對(duì)話框，然后點(diǎn)擊“開(kāi)始計(jì)算”，即可針對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，大概5 s～10 s生成分析結(jié)果，包含諧波失真、有效幅值、直流偏移、相位一致性等性能指標(biāo)，如圖9所示。在完成全部工作節(jié)點(diǎn)的所有通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，用戶也可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并利用Matlab或者其它相關(guān)軟件進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的分析工作。

4 性能測(cè)試

數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)物如圖10所示，該模塊長(zhǎng)10.5 cm(不含引線)，寬3 cm，高2.5 cm，具有體積小集成度高的特點(diǎn)。在溫度15 ℃～35 ℃，相對(duì)濕度25%～75%，且有良好的接地和隔離工業(yè)干擾、天電干擾和火花干擾的環(huán)境下對(duì)該數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了性能測(cè)試。

圖10 數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)物

4.1 幅度一致性

由信號(hào)發(fā)生器向采集模塊的所有通道正輸入端(負(fù)輸入端接地)或負(fù)輸入端(正輸入端接地)輸入不同幅度不同頻率值的正弦波，采樣率為16 kSPS，設(shè)Vppj為各通道正弦信號(hào)的峰峰值，利用下式計(jì)算通道幅度誤差

(1)

若誤差值≤1 dB，則判決為合格，否則為不合格。幅度一致性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，結(jié)果表明輸入信號(hào)通過(guò)采集模塊后，各通道輸出信號(hào)幅度基本保持一致，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 幅度一致性測(cè)試結(jié)果

4.2 相位一致性

將通道1作為基準(zhǔn)通道，找到基準(zhǔn)通道基頻信號(hào)的對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)，然后分別計(jì)算各測(cè)試通道信號(hào)在該頻點(diǎn)處的相位與基準(zhǔn)通道之間的相位差和時(shí)間延時(shí)并進(jìn)行記錄。相位一致性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，測(cè)試結(jié)果表明各通道時(shí)間延時(shí)均在 ±50 ns 以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

表2 相位一致性測(cè)試結(jié)果

4.3 諧波失真

由信號(hào)發(fā)生器向采集模塊的所有通道正輸入端(負(fù)輸入端接地)或負(fù)輸入端(正輸入端接地)輸入幅度為500 mV、不同頻率的正弦波，設(shè)置AD采樣率為16 kSPS，若各通道諧波失真≤-75 dB則判決為合格，否則為不合格。諧波失真測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，結(jié)果表明采集模塊各通道諧波失真滿足要求。

表3 諧波失真測(cè)試結(jié)果

4.4 動(dòng)態(tài)范圍

將采集模塊所有4通道的模擬輸入短路接地，啟動(dòng)顯控軟件，對(duì)所有通道同時(shí)進(jìn)行采樣，采樣率為16 kSPS，每通道樣點(diǎn)數(shù)N=32768。數(shù)據(jù)采集完成以后，計(jì)算各通道等效輸入端噪聲(調(diào)理電路總增益為20 dB)及動(dòng)態(tài)范圍，若所有通道的動(dòng)態(tài)范圍≥90 dB，則判決為合格，分析結(jié)果見(jiàn)表4。從表中可以看出，采集模塊各通道動(dòng)態(tài)范圍滿足要求。

表4 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果

4.5 通道串?dāng)_

將采集模塊奇數(shù)通道的模擬輸入短路接地，由信號(hào)發(fā)生器向偶數(shù)通道正輸入端(負(fù)輸入端接地)或負(fù)輸入端(正輸入端接地)輸入700 mV不同頻率的正弦信號(hào)，采樣率為16 kSPS，若所有通道的通道串?dāng)_≤-80 dB，則判決為合格。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，測(cè)試結(jié)果表明采集模塊各通道通道串?dāng)_能夠滿足要求。

表5 通道串?dāng)_測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前水聲信號(hào)采集模塊存在的通用性不強(qiáng)、采樣率較低、時(shí)鐘同步精度較差、體積較大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型4通道水聲信號(hào)采集模塊，具有24位采集分辨率，可實(shí)現(xiàn)采樣率16 kSPS～192 kSPS實(shí)時(shí)可調(diào)。該采集模塊加入了可重構(gòu)帶通濾波器設(shè)計(jì)，因此可在10 Hz～40 kHz頻率范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)工作頻帶，能夠滿足不同的采集應(yīng)用場(chǎng)景，具有較強(qiáng)的靈活性。并且該模塊采用FPGA作為主控，實(shí)現(xiàn)了基于IEEE 1588V2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的精確納秒級(jí)時(shí)鐘同步。數(shù)據(jù)采集模塊與核心控制模塊采用疊層設(shè)計(jì)，具有更小的體積，更高的集成度。經(jīng)過(guò)測(cè)試，文中所設(shè)計(jì)的多通道水聲數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以用于水聲基礎(chǔ)科研、聲納開(kāi)發(fā)和水聲通信研究等領(lǐng)域。